基于abaqus的軟土固結水平加載法與堆載法的對比

張嫵媚

(北京航空航天大學，北京 100191)

0 引言

我國有大面積軟土，尤其是在經(jīng)濟較發(fā)達、人口密集、土地資源緊張的東部沿海地區(qū)軟土地基的分布更是廣泛。由于軟土地基含水量大、承載力低、沉降量大，在其上修筑建筑物前需要對軟土地基進行加固處理。

排水固結，指土在各方向承受壓力，并隨著孔隙水的排出產(chǎn)生壓縮的現(xiàn)象［1］。堆載預壓法，是通過在天然地基中設置排水系統(tǒng)和加壓系統(tǒng)，根據(jù)地基土體固結特性，使土體提前完成固結沉降、增加地基強度的方法。該方法使地基沉降在加載預壓期間基本完成或者大部分完成，減少地基沉降和竣工后的地基不均勻沉降。

目前，對土體施加豎向荷載的排水固結法是軟土地基處理的首選方案，主要有堆載預壓法、真空預壓法以及兩者的結合。隨著深度的增加，上部荷載對底部土體作用的附加應力減小，而受到軟土承載力的限制，土體只能逐級施加預壓荷載，由此，決定了這些方法都需要較長的施工周期。

本文中將介紹一種對土體施加水平荷載的排水固結方法，并引用京珠高速公路作為工程實例［2-4］，應用abaqus有限元分析，與豎向排水固結中常用的堆載法進行對比分析。

1 水平加載排水固結方法介紹

水平加載排水固結方法，即通過對土體打孔，使用機械深入土中，逐步向周圍土擴展，同時起到加壓系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的作用，以此來改善周圍土體性質，增強土體的承載能力。

對于飽和軟土，在不大于其承載能力的壓力作用下，土中孔隙水逐步排出，土體孔隙逐步減少，從而土的強度增加(即通過土的排水固結提高強度);進而可以增加與土的強度增量相應的壓力增量，使土在更大的壓力下逐步排水固結，進一步提高強度;如此以一定速率緩慢加載，使土體不斷排水固結最終達到希望的土體強度。同樣對于非飽和軟土，以一定速率緩慢的施加壓力，使土中孔隙逐步減少，土體逐步密實，也可以提高土的強度。

通過建立簡化模型，對水平加載排水固結方法進行有限元分析，得到了以下幾個結論:由于受到使用工具的限制，因此，在對模型進行分析時設定為對土體施加的是位移荷載，并且采用1/2平面模型，選取地質工程手冊中軟土的設定參數(shù)，采用摩爾—庫侖模型，通過改變單一參數(shù)的方法，對水平加載排水固結方法的特點進行分析總結。如圖1所示，間距為5 m時采用不同時間內施加0．1 m位移荷載的情況下土減少的體積與原體積的比，和間距為10 m時采用不同時間施加0．2 m位移荷載的情況下，土減少的體積和原體積的比。

圖1 不同時間施加位移荷載下固結度

圖2 不同位移荷載作用下軟土固結程度

土固結度是指土層或土樣在某一級荷載下的固結過程中某一時刻孔隙水壓力平均消散值或壓縮量與初始孔隙水壓力增量或最終壓縮量的比值，以百分率表示。即某一時刻的壓縮量與最終壓縮量之比［1］。以480 h施加相同位移荷載所得到的減小面積為所能達到的最大減少體積，對數(shù)據(jù)進行處理，得到圖1。

由圖1可以看出:1)在相同的位移荷載下，隨著加載時間的增加，土體減少面積增加，但是到一定時間后，即使增加加載的時間，土體減少面積也不會有明顯的增加。2)在位移荷載與荷載作用區(qū)域的百分比為定值的情況下，荷載作用區(qū)域越大，則減少面積越小。3)間距越大，需要越多的時間達到最好的固結效果，當時間增大到某一值后，固結程度相差不大。

圖2為在相同的間距下，在相同的足夠長的時間下，施加不同的位移荷載得到的固結百分比，可以看出在其他條件相同的情況下，施加的位移荷載與固結程度近似成比例。

因此，通過上述結論，可以根據(jù)具體的案例，選擇合適的水平加載方案。

2 堆載法與水平加載排水固結法優(yōu)缺點比較

京珠高速公路廣珠段工程概況:該工程采用堆載預壓法進行加固，第1天～第9天填筑第一層路基，厚60 cm，后不均勻填筑，第400天～第410天填筑最后一層，累積填土高5．18 m。

在實例中，砂井和排水板的施工擾動使地基產(chǎn)生了約15%的附加沉降，為符合實際情況，采用摩爾—庫侖模型得到的模擬值，需乘以相應的值進行擬合。

采用1/2模型，限定左右兩側的位移，設定左右兩側為不排水邊界［5］。根據(jù)工程中的加載方案，施加荷載得到表1。

表1 施加荷載后的表面沉降值

由表1可以看出，應用彈塑性模型對堆載法進行模擬，考慮到施工擾動的15%附加沉降，那么模擬的結果較為準確，可以應用此模型對水平加載進行模擬，對堆載法和水平加載方法的固結效果進行比較。

在實際工程中，將采用打孔的方式，將擠擴機械伸入，采取影響半徑為2 m，施加不同的位移荷載，根據(jù)水平加載排水固結的特點，選擇能夠達到最好效果的位移荷載加載時間，模型采用軸對稱模型。

水平加載與豎向加載的方式不同，從不能以地表的沉降位移作為固結的效果的比較標準，因此采用孔隙比變化量作為沉降量進行比較。

圖3 土體等效三維應力圖

由圖3，圖4可知，水平荷載對土排水固結的影響隨著距離半徑增大而減小，對土較為明顯的影響范圍為1 m。

圖4 土體孔隙比

表2 不同加載方案的固結效果

如表2所示，水平加載排水固結方法在較短的時間里達到與堆載法相近的孔隙比，得到相同的固結效果。

3 結論與展望

水平加載方法的特點如下:

1)在相同的位移荷載下，隨著加載時間的增加，固結的程度增加，但是到一定時間后，增加加載的時間，固結程度增加不明顯。

2)在位移荷載與荷載作用區(qū)域的百分比為定值時，荷載作用區(qū)域越大，固結程度越小，但相差不大。

3)在其他條件相同的情況下，施加的位移荷載與固結程度近似成比例。而由于土在施加的位移荷載過大時會被擠壞，因此，位移荷載要小于土的破壞應力。

4)通過有限元模擬可以看出，在較短的時間里，水平加載方法可以達到堆載法所需要達到的沉降量，并且可以通過施加的位移荷載來控制土體的孔隙比，可以應用于道路擴建，即控制新路基，使新路基的孔隙比達到與老路基相近，以此減少新老路基差異沉降。

綜上所述，水平加載排水固結方法對比堆載法，可以有效的減少施工周期，減少預壓荷載的施加。隨著科技的進步與發(fā)展，水平加載排水固結方法定能應用在實際當中。

［1］［日］松崗元．土力學［M］．姚仰平，羅 汀，譯．北京:中國水利水電出版社，2001:87-120．

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［3］趙維炳，艾英缽，張 靜，等．排水固結加固高速公路深厚軟基工后沉降［J］．水利水運工程學報，2003(1):28-33．

［4］崔柏華．京珠高速公路廣珠東線某試驗段軟基加固效果分析［A］．論文集［C］．1999:385-388．

［5］廖公云，黃曉明．ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用［M］．南京:東南大學出版社，2008:137-149．